第1章晶体管开关课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第一章 晶体管开关,2,1.1,半导体二极管,1.1.1,半导体基本知识,一、什么是半导体？,导体,(,金属原子的外层电子受原子核的束缚力很小，自由电子成为导电的“载流子”,),绝缘体,可运动的带电粒子,3,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，如硅,(Si),锗,(Ge),。,硅和锗的原子结构模型,(a),硅原子,(b),锗原子 简化模型,硅和锗都是四价元素,原子的最外层轨道上有四个,价电子。,4,1.,本征半导体（纯净的半导体晶体）,硅和锗的晶体结构,（）点阵结构 （）共价键结构,点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。原子最外层的价电子不仅围绕,两个相邻原子共用一对电子,5,热激发产生自由电子和空穴,室温下，由于热运动少数价电子挣脱共价键的束缚,成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位这个空位称为“,空穴,”。失去价电子的原子成为正离子，就好象空穴带正电荷一样。,在电子技术中,将空穴看成带正电荷的载流子。,6,空穴运动,有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补,这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的价电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。,（与自由电子的运动不同）,7,结论：,本征半导体中有两种载流子：,带负电荷的自由电子带正电荷的空穴 热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为“复合”。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。,8,N,型和,P,型半导体,(1)N,型半导体,在硅晶体中掺入五价元素磷,磷原子的五个价电子有四个,多出的一个电子不受共价键的束缚,室温下很,容易成为自由电子。磷原子失去一个电子成为正离子（在晶体中不能移动） 每个磷原子都提供一个自由电子，自由电子数目大大增加，远远超过空穴数。这种半导体主要依靠电子导电，称为电子型或,N,型半导体。,9,N,型半导体的特点：,自由电子,空 穴,多数载流子（简称多子）,少数载流子（简称少子）,只要掺入极少量的杂质元素（,1,10,6,），多子的浓度将比本征半导体载流子浓度增加近,10,6,倍。,掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。,10,(2)P,型半导体,在硅晶体中掺入三价元素硼,硼原子与相邻的四个硅原子,由于缺少一个价电子而产生一个空位，这个空位很容易被邻近共价键中的价电子填补。硼原子,得到一个电子成为负离子（在晶体中不能移动），失去价电子的共价键中出现一个空穴，每个硼原子都产生一个空穴，空穴数目大大增加，远远超过自由电子数。这种半导体主要依靠空穴导电，称为空穴型或,P,型半导体,11,P,型半导体的特点：,空 穴,自由电子,多数载流子（简称多子）,少数载流子（简称少子）,掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。,少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。,12,3. PN,结的形成,预备知识,:,半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动,.,在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。,将一块半导体的一侧掺杂成,P,型半导体，另一侧掺杂成,N,型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层,PN,结,13,多子扩散运动形成空间电荷区,由于浓度差，电子和空穴都要从浓度高的区域向,扩散的结果，交界面,P,区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，,N,区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子，这样在交界面处出现由数量相等的正负离子组成的空间电荷区，并产生由,N,区指向,P,区的内电场,E,IN,。,PN,结,14,内电场,E,IN,阻止多子扩散，促使少子漂移,多子扩散,空间电荷区加宽内电场,E,IN,增强,少子漂移,促使,阻止,E,IN,E,IN,空间电荷区变窄内电场,E,IN,削弱,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的,PN,结,15,小结：,PN,结中同时存在多子的扩散运动和,少子的漂移运动，达到动态平衡时，扩散运动产生的扩散电流和漂移运动产生的漂移互相抵消，,PN,结中总的电流为零。,16,4. PN,结的单向导电性,外加正向电压（也叫正向偏置）,外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，,N,区电子不断扩散到,P,区，,P,区空穴不断扩散到,N,区，形成较大的正向电流，这时称,PN,结处于“导通”状态。,17,4. PN,结的单向导电性,外加反向电压（也叫反向偏置）,外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流,I,R,，因为是少子漂移运动产生的，,I,R,很小，这时称,PN,结处于“截止”状态。,18, PN,结伏安特性,a.,外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，,PN,结仍处于截止状态,b.,正向电压大于“开启电压,U,ON,”,后，,i,随着,u,增大迅速上升。,Uon,0.5V(,硅,),Uon,0.1V(,锗,),19,c.,外加反向电压时，,PN,结处于截止状态，反向电流,I,R,很小。,d.,反向电压大于“击穿电压,U,（,BR,）,”时，反向电流,I,R,急剧增加。,20,1.1.2,二极管符号及主要参数,A,阳极,K,阴极,二极管主要参数：,1.,最大正向电流,I,F,2.,反向击穿电压,U,（,BR,）,3.,反向电流,I,R,4.,最高工作频率,21,1.1.3,二极管应用举例,二极管的伏安特性是一个非线性的曲线，在实际分析电路中，导通时管压降视为一个固定值：,U,D,0.7V,（硅）,U,D,0.3V,（锗）,p42,或视为一个理想开关，即导通时视为“短路”，截止时视为“开路”。这就是电子线路中经常采用的近似估算法。,p44,22,U,i,周期性矩形脉冲,23,1.2,半导体三极管,三极管的结构及工作原理,(a),管芯结构图,(b),结构示意图,(c),电路符号,三极管内部结构的特点：基区很薄，掺杂浓度最低,.,发射区掺杂浓度很高，远大于基区和集电区的掺杂浓度,.,发射区和基区之间的,PN,结称为发射结，集电区和基区之间的,PN,结称为集电结,NPN,型三极管,b,基极,e,发射极,c,集电极,24,PNP,型三极管,25,三极管电流的形成及分配,1.,电流的形成 发射区向基区发射电子，形成发射极电流,I,E,发射结正向偏置。,电子在基区复合形成基极电流,I,B,由于基区很薄且空穴浓度很低，发射区电子进入基区后少数电子和基区空穴复合，绝大多数电子继续扩散到集电结附近。,集电结反向偏置，基区中扩散到集电结附近的电子，在电场作用下漂移到集电区，形成集电极电流,I,C,。,26,三极管电流的形成及分配,1.,电流的分配关系,发射区电子在基区每复合一个，就要向集电区供给,个电子，这是三极管内固定不变的电流分配原则。,称为电流放大系数，,值通常在,20,200,之间,27,1.2.1,三极管的特性曲线,输入特性曲线,输出特性曲线,28,u,BE,Uon(0.5V),I,B,=0,I,C,0,截止区,截止条件：,u,BE,Uon(0.5V),特点：,I,B,=0,，,I,C,0 c e,之间相当于断开的开关。,29,u,BE,Uon,放大区,u,CE,u,BE,+,放大条件：,u,BE,Uon u,CE,u,BE,特点：,I,C,=,I,B,，,c e,之间相当于受控电流源。,P48,电流放大倍数,30,u,BE,Uon,饱和区,u,CE,u,BE,+,饱和条件：,u,BE,Uon u,CE,u,BE,特点：,I,C,I,B,，,u,CE,U,CES,0.3V,，,c e,之间相当于闭合的开关。,31,饱和条件：,u,BE,Uon u,CE,u,BE,特点：,I,C,I,B,，,u,CE,U,CES,0.3V,，,c e,之间相当于闭合的开关。,截止条件：,u,BE,Uon(0.5V),特点：,I,B,=0,，,I,C,0 c e,之间相当于断开的开关。,截止和饱和两个状态通称为开关状态。,32,1.2.2,三极管的主要参数及应用,I,b,I,c,1,共发射极电流放大系数,=,20-200,33,三极管的主要参数,2,击穿电压,U,cbo,U,ceo,U,ebo,例如：,U,ebo,=6V,Uebo,34,三极管的主要参数,I,b,I,c,3,最大电流,I,CM,最大功率,P,CM,I,c,m=600mA;Pc,M,=,625,m,W,设工作电流,Ic=200mA,Uce625/200=3V,35,u,I,周期性矩形脉冲,(1) u,I,= 0,时,三极管截止，,i,B,= 0 , i,C,= 0,u,O,= U,C,i,C,R,C,= U,C,= 12V (2) u,I,= 5V,时，,36,u,I,周期性矩形脉冲,条件成立,假设三极管处于饱和状态,37,38,PN,结正向导通时，,P,区扩散到,N,区的空穴，边扩散，边复合逐渐减少，在,N,区内产生一定数量的空穴积累，形成梯度分布；同理，,N,区的电子扩散到,P,区后，也将在,P,区内产生一定数量的电子积累。这些扩散到对方区域并积累的电子及空穴称为,存储电荷,。,PN,结正向导通时，,PN,结两侧出现的电子空穴积累的现象叫做,电荷存储效应,。,预备知识,:,39,1.2.3,三极管的开关时间和极间电容,由于三极管内部电荷建立和消失均需一定的时间，截止和饱和两种状态的转换不可能瞬间完成。,延迟时间,t,d,上升时间,t,r,开启时间,t,on,（几十到几百纳秒）,存储时间,t,s,下降时间,t,f,关闭时间,t,off,（几十到几百纳秒）,40,1.3 MOS,场效应管,P,型硅片作衬底，表面制作两个,N,型区，引出源极,(s),和漏极,(d),，覆盖一层,SiO,2,，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极,(g),，衬底也引出一个电极,B,。,MOS,场效应管是利用半导体表面的电场效应来控制输出电流的，输入端不需要供给电流,金属,-,氧化物,-,半导体场效应管 （,Metal-Oxide-Semiconductor),41,u,GS,= 0,时，漏源之间相当于两个背靠背的,PN,结，无论漏源之间加何种极性的电压，都不能导电。,u,GS,为正时，产生一个电场，把,P,型衬底少子电子吸引到衬底表面，当,u,GS,增大到一定值,U,T,时，电子在衬底表面形成一个,N,型层即,N,型导电沟道。,42,I,G,=0,I,D,=g,m,U,GS,小结：,MOS,管是一个受栅源电压,u,GS,控制的器件 ,u,GS,U,T,时，,D-S,间无导电沟道，,MOS,管截止 ,u,GS,U,T,时，,D-S,间才会形成导电沟道， 故称为,N,沟道增强型,MOS,管。,u,GS,增大，导电沟道变宽。即改变,u,GS,可以控制,i,D,的大小。,43,n,p,p,注意,PMOS,管,S,D, 电流从,S,流入，,D,流出,44,U,GS(th)N:,开启电压,转移特性,输出特性,u,GS,U,GS(th)N,，,管子处于截止状态,D,、,S,之间相当于断开的开关,u,GS,U,GS(th)N,，,u,DS,较小。,i,D,与,u,DS,之间近似为线性关系，,D,、,S,之间相当于一个由,u,GS,控制的可变电阻，,u,GS,越大，曲线越陡，,D,、,S,之间的导通电阻越小。,u,GS,U,GS(th)N,，,u,DS,较大，,i,D,取决于,u,GS,，,D,、,S,之间相当于一个受控电流源。,45,转移特性,输出特性,在夹断区，管子处于截止状态,D,、,S,之间相当于断开的开关。,在可变电阻区，,D,、,S,之间导通电阻,r,DS(ON),很小，约为几百欧姆。只要,R,D,远大于这个导通电阻，漏源之间可以看作闭合的开关。,MOS,管的开关特性,46,47,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,